汽車后擾流板對外氣動性能影響的研究

朱忠華 張雷 許志寶 祝文舉 楊靜 劉東峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

汽車后擾流板對外氣動性能影響的研究

朱忠華 張雷 許志寶 祝文舉 楊靜 劉東峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

以某SUV車型為分析對象，采用CFD和風洞試驗相結合的方法，對車體尾部后擾流板角度調整方式、角度和斷面結構調整對外氣動性能產生的影響進行分析，并根據分析結果對后擾流板進行優化，優化的后擾流板斷面幾何結構和攻角的后擾流板裝置可使整車風阻系數下降3%～5%，從而提高整車動力性和燃油經濟性。

1 前言

空氣動力學研究對于汽車設計的意義不僅在于改善汽車的高速行駛穩定性和側風穩定性，同時也可以降低油耗[1]。在對汽車進行氣動優化的過程中，后擾流板作為一種附加裝置表現出了良好的效果，因此，汽車后擾流板的合理設計和裝配顯得尤為重要。具有適當高度的后擾流板可有效降低空氣阻力系數Cd和升力系數Cl，此外，后擾流板還可以增加車身上表面后部的壓力。

國外汽車空氣動力學起步較早，對后擾流板的研究也更為深入。近年來，國外大型汽車企業不斷將賽車空氣動力學的研究成果應用于乘用車，如可調尾翼已在部分量產車或概念車上得到了應用。國內對汽車后擾流板的研究，其對象多為車體基本形狀，車身模型相對粗糙，車輪、保險杠、后視鏡等均被忽略，計算模型中劃分的網格數目也比較少，因此計算精度受到一定影響。

本文以某SUV車型為研究對象，通過仿真分析和風洞試驗相結合的方法，重點研究后擾流板角度、角度調整方式及結構形式對整車氣動性能影響的規律。研究對象為實車全細節模型，流場更為真實。研究結果對進一步減小SUV車型的空氣阻力和升力、合理選擇和設計后擾流板剖面形狀、優化氣動特性提供了依據。

2 風洞試驗

2.1 風洞試驗模型構建

本研究使用的風洞試驗模型是某SUV車型的整車40%全細節模型，如圖1所示。模型包含發動機艙、底盤、地板等詳細結構，骨架和上部車身的材料分別為鋁合金和碳纖維，懸架結構（包括制動系統等）與實車結構完全一致，試驗過程中，設置輪胎與地面保持同步轉動，發動機艙布置和散熱器阻尼特性與實車完全一致。

為在試驗中更好地研究后擾流板對整車氣動性能的影響，將后擾流板制作成獨立模塊（見圖2），通過調整該模塊實現其角度的變化。

2.2 風洞試驗室

汽車空氣動力學試驗分為模型風洞試驗法、實車風洞試驗法和實車道路試驗法3種[2]。本研究風洞試驗完成于國外某模型風洞試驗室，該試驗室整體流道采用回流式結構[3]，測試段為3/4開式，其結構形式如圖3所示，關鍵參數如表1所示。

圖1 風洞試驗模型

圖2 風洞試驗模型后擾流板結構示意

圖3 風洞試驗室結構示意

表1 風洞試驗室關鍵參數

2.3 試驗結果

風洞試驗邊界條件見表2。試驗中，將后擾流板角度下調3°，其他結構和參數均不變，研究其氣動阻力性能的變化。試驗結果表明，后擾流板角度調整后，整車空氣阻力系數下降了0.007，證明后擾流板角度對空氣阻力系數有較大的影響。

3 CFD仿真模型構建

本文利用流體分析軟件STAR-CCM+搭建了整車CFD模型，模型包含車身外表面、車體底部和底盤、發動機艙等細部結構，如圖4所示。模擬風洞的長、寬、高之比為6:5:3。同時，為提高計算精度，還對流動分離的關鍵部位進行了網格加密處理，最終生成的體單元總數大約為3 800萬。

表2 風洞試驗邊界條件

圖4 整車CFD模型

計算過程中，車速設定為120 km/h，由于其遠低于聲速，可以假定氣體是不可壓縮的[4]。氣體具有粘性，這是產生氣動阻力的根源，在本研究中，通過在車體近壁面添加多層邊界層單元，模擬氣體粘性產生的剪切應力對整車氣動阻力的影響，提高計算精度。計算中所使用的物理模型采用基于流體質點微元的拉格朗日法構建，數學模型使用三維不可壓縮雷諾平均納維-斯托克斯（N-S）控制方程，所使用的初始、邊界條件如表3所示。

表3 初始、邊界條件設定

4 計算結果與試驗結果

4.1 公式定義

空氣阻力系數為：

升力系數為：

式中，D為阻力；L為升力；ρ為空氣密度；v∞為風速（車速）；A為迎風面投影面積。

壓力系數為：

式中，P為汽車表面的壓力；P∞為無窮遠處參考點壓力，即基準靜壓；ν為監測點的氣流流速。

4.2 仿真與試驗結果對比

通過將后擾流板調整到相同的狀態（下調3°，見圖5）比較仿真和試驗的差異。

圖5 仿真與試驗對比方案示意

將空氣阻力系數作為參考量，對所得計算結果與試驗結果的誤差進行對比分析，結果如表4所示。由表4可知，仿真結果很好地預測了后擾流板角度變化對整車風阻系數的影響，仿真與試驗結果的偏差僅0.001。下面將主要采用CFD仿真的手段對后擾流板進行研究。

表4 空氣阻力系數

5 后擾流板對整車氣動性能影響的仿真研究

5.1 后擾流板角度調整方式

為研究后擾流板對整車氣動性能影響的規律，本文首先對后擾流板角度的調整方式進行了對比分析。常用的調整方式分為旋轉法和光順法。旋轉法是將擾流板沿軸線整體旋轉一定角度，光順法是保證其切角方向變化與原旋轉方式角度變化相同。以后擾流板下調4°為例，如圖6所示。

以上述調整方式分別對后擾流板的角度下調1°、2°、3°、4°，以整車的空氣阻力系數和升力系數為參考量，對比分析兩種方式對整車性能的影響，結果如圖7所示。

圖6 后擾流板角度調整方式示意

圖7 后擾流板角度調整方式對氣動性能的影響

由圖7可知，隨著后擾流板下調角度的增大，兩種調整方式下，空氣阻力系數變化趨勢總體保持一致，但升力系數變化趨勢相差較大。兩種調整方式下，升力系數隨角度的變化規律相同，但是在相同角度變化量下，兩種調整方式對升力增加量的影響有所不同，光順法相對旋轉法更易引起升力的增大，并且隨著調整角度的增大，兩者產生的差值增大。

5.2 后擾流板角度

5.2.1 后擾流板角度對整車氣動性能的影響

本研究中，后擾流板角度下調，整車的空氣阻力系數下降，但是隨著高速區來流速度加快，車體底部和頂部的壓差增大，下部壓力大于上部壓力形成升力，且隨著后擾流板角度的下調，升力逐漸增大。因此，在確定后擾流板傾斜角度時，應綜合考慮調整角度對整車阻力和升力的影響，在降低空氣阻力的情況下，提高高速行駛工況下的穩定性，使整車氣動性能達到最佳狀態。

由此，在0°～4°調整范圍內，隨著調整角度的增大，兩種調整方式下，空氣阻力系數的變化量基本一致。但旋轉法在控制整車升力系數上要優于光順法方案，對高速時操縱穩定性的影響也將更小。因此，本文采用旋轉法對后擾流板的角度進行調整（1°、2°、3°、4°），如圖8所示，探索調整角度對空氣阻力系數和升力系數的影響規律，進而尋找角度調整的最優值。調整后的空氣阻力系數和升力系數變化如圖9所示。

圖8 后擾流板角度調整結構示意

圖9 后擾流板角度調整對整車氣動性能的影響

由圖9可以看出，隨著下調角度的增大，空氣阻力系數不斷降低，其中在0°～1°和2°～3°之間，空氣阻力系數的變化量較大，分別降低0.003和0.002，但在1°～2°和3°～4°之間降低幅度有所減小，僅降低0.001。同時，隨著下調角度的增大，整車的升力系數隨之增大，并且在2°～3°之間存在緩增區，但是調整角度超過3°后，升力系數會隨之大幅度升高，基準狀態下整車的升力系數為0.029，在0°～3°之間，升力系數的變化量為0.018，在3°～4°之間，整車升力系數的變化量為0.014，占總體變化量的43.75%。

綜上所述，當后擾流板的下調角度為3°時，所產生的降阻性能和高速穩定性均處于較優狀態，為本文中所用模型的最佳調整值。

5.2.2 后擾流板角度對整車尾流場的影響

由圖10可以看出，流過汽車頂部、底部和側面的氣流相互作用、相互融合，進而發展形成了大尺度的尾部渦流[5]。尾部渦流的存在使汽車尾部形成負壓，這是汽車壓差阻力形成的關鍵因素。后擾流板角度不同時，尾部渦流的尺度（大小和形狀）也不相同。設計合理的后擾流板角度，可大幅減小轎車尾部旋渦的尺度，從而減小能量耗散，降低壓差阻力。

圖10 后擾流板不同狀態下的尾流場示意

圖10所示為整車尾部速度矢量圖的Y=0截面圖。從圖中可以看出，尾部流場中形成上、下2個較大的渦流，其中上方渦流主要來自頂部及后窗兩側，下方渦流主要來自底部氣流。由于底部氣流流速較慢，下方渦流尺度明顯小于上方渦流，兩個渦流的中心在汽車背部偏下的區域，渦流的相互作用會增大氣流流動能量損失，使得尾部負壓增大，氣動阻力增加。通過調整后擾流板的角度，如圖10（b）所示，可控制尾渦的大小及兩個渦流的相互作用強度，進而達到減小整車阻力的目的。

如圖11所示，當后擾流板處于基準狀態和下調3°時，車輛尾部的壓力分布云圖具有明顯的不同。基準狀態下尾部的壓力系數處于-0.012～-0.006范圍內，后擾流板角度調整后的壓力系數處于-0.006～0范圍內，說明后擾流板的角度變化使得車體后部的能量耗散明顯減弱，有效減小了車輛的前后壓差阻力，對降低整車阻力具有明顯的效果。

圖11 后擾流板不同狀態下尾部壓力云圖

后擾流板下調不同角度時，尾部流場結構如圖12所示。

圖12 后擾流板不同下調角度下的尾流場結構

由圖12可以看出，隨著后擾流板下調角度的增加，尾流場中的渦流強度逐漸減弱，尤其對下部漩渦的影響更加明顯，并且上、下漩渦的范圍逐漸縮小，兩者的交匯區域逐漸遠離，中心的干擾程度減弱。在后擾流板下調角度為1°～3°之間時，上漩渦和下漩渦交匯中心的位置幾乎沒有改變，但是強度明顯減弱；當下調角度為4°時，接近車體尾部壁面位置處氣流向上，產生向上的升力，造成車輪的抓地力降低[6]。

5.3 后擾流板結構對整車氣動性能的影響

將后擾流板結構改為某類似車型的斷面結構（以下簡稱新型斷面），如圖13所示，凹陷深度為10 mm，凹陷位置與邊緣距離為80 mm。以整車的空氣阻力系數和升力系數為參考量，對比分析不同斷面結構下，下調角度均為3°時氣動性能的變化規律，結果如表5所示。

圖13 后擾流板改型斷面結構示意

表5 后擾流板不同斷面結構對整車氣動性能的影響結果

由表5中可以看出，采用新型斷面結構的后擾流板后，整車空氣阻力系數沒有變化，但升力系數明顯增加。

6 結束語

本文針對某SUV車型，通過比例模型風洞試驗和CFD仿真的手段，研究了后擾流板對整車性能的影響。結果表明，后擾流板角度、結構形式對整車氣動性能影響較大。其中，后擾流板角度的變化使尾部渦流中心點產生位移，最終影響空氣阻力系數和升力系數。本文只研究了2種結構形式，后續可通過研究更多結構形式，繼續探索改善整車氣動性能。

1 任斌.后擾流板對汽車空氣動力學特性影響的模擬研究：[學位論文].長春：吉林大學，2008.

2 傅立敏.汽車空氣動力學.北京：機械工業出版社，2006.

3 張英朝.汽車空氣動力學數值模擬技術.北京：北京大學出版社，2011.

4 扶原放.轎車外流場的數值模擬：[學位論文].長春：吉林大學，2002.

5 任斌，趙又群.后擾流板攻角對汽車氣動特性影響的模擬研究.現代交通技術，2009（4）：98-101.

6 孫連偉.基于CFD的尾翼對汽車穩定性數值分析.汽車實用技術，2016（1）：158-160.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年12月13日。

Research on Influence of Rear Spoiler on External Aerodynamic Performance

Zhu Zhonghua,Zhang Lei,Xu Zhibao,Zhu Wenju,Yang Jing,Liu Dongfeng
（Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230601）

In this article,CFD and wind tunnel test methods were applied to analyze the influence of rear spoiler (angle adjustment mode,angle,sectional structure adjustment)on external aerodynamic performance of a SUV,and the rear spoiler was optimized according to the analysis results.The result shows that,vehicle air drag coefficient can be decreased by 3%to 5%after sectional geometry and angle of attack optimization,and thus vehicle’s power performance and fuel economy were improved.

SUV,CFD,Aerodynamics,Rear spoiler,STAR-CCM+

SUV CFD 空氣動力學 后擾流板 STAR-CCM+

U463.82；U461.1

A

1000-3703（2017）05-0019-05